自动化仪表与系统基础知识引论.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,上海第二工业大学,电子与电气工程学院,自动化系郑璞,自动化仪表与系统,自动化仪表与系统基础知识引论,第1页,教材：,自动检测技术及仪表控制系统,第一讲,课程介绍,内容：,1.,测量基础知识,2.,传感器知识,(,重点,),3.,控制系统,自动化仪表与系统,自动化仪表与系统基础知识引论,第2页,自动检测技术及仪表控制系统,第一编基础知识引论,1,绪论,2,误差分析基础,3,检测技术及方法分析,第一讲,自动化仪表与系统基础知识引论,第3页,1,绪论,任何一个,工业控制系统,都必定要应用一定,检测技术,和,对应仪表单元,。,检测单元完成对各种过程参数测量，并实现必要数据处理；,仪表单元则是实现各种控制作用伎俩和条件，它将检测得到数据进行,运算处理,，并经过对应单元实现对被控变量,调整,。,伴随新技术不停出现，二者趋向融合,相辅相成，它们是控制系统主要基础。,第一讲,自动化仪表与系统基础知识引论,第4页,1,绪论,第一讲,测量：,用试验方法或专门设备，将被测物理量与该变量已知测量单位,（标准量）进行比较以求得二者比值，进而求得被测物理量量值。,1960,年,10,月十一届国际计量大会确定了国际通用,国际单位制，简称,SI,制。,SI,制：七个基本单位：长度,m,，时间,s,，质量,kg,，,热力学温度（,Kelvin,温度）,K,，,电流单位,A,，光强度单位,cd,（坎德拉），物质量,mol,自动化仪表与系统基础知识引论,第5页,1.1,检测仪表控制系统,：,1.1.1,经典仪表控制系统实例：,用,天然气,做原料生产,合成氨,控制系统为例。,需对天然气脱硫处理,在脱硫塔中进行,下面以一经典工业仪表控制系统实例为分析对象，给出常规检测仪表系统组成及结构,并介绍相关检测和仪表相关技术必需基本要领和名词术语。,第一讲,自动化仪表与系统基础知识引论,第6页,.,脱硫塔控制流程图：,由三个单参数,压力、液位和流量,调整控制系统组成。,压力控制：,PC,液位控制：,LC,流量控制：,FC,1.1,检测仪表控制系统,：,1.1.1.,经典仪表控制系统实例：,第一讲,自动化仪表与系统基础知识引论,第7页,.,压力调整控制（,PC,）单参数控制子系统介绍：,系统结构框图,1.1.,检测仪表控制系统,：,1.1.1,经典仪表控制系统实例：,第一讲,自动化仪表与系统基础知识引论,第8页,.,压力调整控制（,PC,）单参数控制子系统介绍：,控制过程：,首先测量进入脱硫塔天然气压力，检测到信号经转换后，以标准信号制式传输到实现调整运算调整单元；,1.1,检测仪表控制系统,：,1.1.1,经典仪表控制系统实例：,调整单元在接收到测量信号后，即与给定单元设定压力值进行比较，并依据设定控制规律计算出实现控制调整作用所需控制信号；,调整单元输出控制信号经执行单元转换后，驱动对应设备实现对被控变量调整。,第一讲,自动化仪表与系统基础知识引论,第9页,.,流量调整控制（,FC,）单参数控制子系统介绍：,系统结构框图,控制过程：,1.1,检测仪表控制系统,：,1.1.1,经典仪表控制系统实例：,流量变送单元用于流量检测信号转换和传输,;,安全栅增加则是为了实现安全火花防爆,特征。,第一讲,自动化仪表与系统基础知识引论,第10页,.,小结,1.1,检测仪表控制系统,：,1.1.1,经典仪表控制系统实例：,常规工业检测仪表控制系统组成基本相同，而与详细采取仪表类型无关。,基本组成包含,被控对象、变送器、显示仪表、调整器、给定器和执行器,等。因为各控制子系统被控变量不一样，各子系统采取变送器和调整器控制规律因而有所不一样。,（经过例子，告诉我们系统是复杂，而我们学习、研究从简单开始。）,第一讲,自动化仪表与系统基础知识引论,第11页,1.1.2,检测仪表控制系统结构分析：,说明：,.,闭环回路控制系统。,.,检测单元：,实现控制调整作用基础，它完成对全部被控变量直接测量，包含温度、压力、流量、液位、成份等,1.1,检测仪表控制系统,：,第一讲,自动化仪表与系统基础知识引论,第12页,1.1.2,检测仪表控制系统结构分析：,说明：,1.1,检测仪表控制系统,：,.,显示单元：,是控制系统从属单元,.,调整单元：,完成调整控制规律运算。它将变送器传输来测量信号与给定值进行比较，并对比较结果进行调整运算，以输出作为控制信号。调整单元采取常规控制规律包含位式调整和,PID,调整,.,执行单元：,实施控制策略执行机构，有电动、气动、液动等方式,第一讲,自动化仪表与系统基础知识引论,第13页,1.2,基本概念,：,请思索：什么是测量？测量值、真值、约定真值、示值（仪表）,有几个基本物理量？,对象、检测、,变送、调整、执行、自动控制系统中,检测是基础，是我们这门课重点内容。,工业自动控制系统中，从被控对象归纳出六大参数。,第一讲,自动化仪表与系统基础知识引论,第14页,1.2,基本概念,：,1.2.1,测量范围、上下限、量程：,1,、测量范围：,仪表按要求精度进行测量被测变量范围。用其上、下限来表示，每个测量仪表都有测量范围。,2,、上、下限：,测量范围最小值和最大值分别称为测量下限和测量上限，简称下限和上限。,3,、量程：,测量上限值测量下限值,说明：,给出仪表上下限，便知仪表测量范围及量程，反之只给出仪表量程，却无法确定其上下限及测量范围。,测量仪表另一表示方法：给出仪表零点（即下限值）及量程,第一讲,自动化仪表与系统基础知识引论,第15页,1.2,基本概念,：,1.2.2,零点迁移和量程迁移,：,在实际使用中，因为测量要求或测量条件改变，需要改变仪表测量范围，即,改变仪表零点或量程,，为此需要对仪表进行零点和量程调整。通常将,零点改变称为零点迁移，而量程改变则称为量程迁移。,经过迁移能够扩大仪表通用性。不过，在何种条件下迁移，以及能够有多大迁移量，还需视详细仪表结构和性能而定。,零点迁移和量程迁移可经过仪表标尺特征来反应。,第一讲,自动化仪表与系统基础知识引论,第16页,1.2,基本概念,：,2,、标尺特征：,以被测变量值相对于量程百分数为横坐标识为,X,，以仪表指针位移或转角相对于标尺长度百分数为纵坐标识为,Y,，,可得到仪表标,尺特征曲线,X,Y.,3,、实例说明,：,第一讲,自动化仪表与系统基础知识引论,第17页,1.2,基本概念,：,3,、实例说明,：,此时仪表量程不变，其斜率亦保持不变，线段,2,只是线段,1,平移，理论上零点迁移到了原输入值,-25%,，终点迁移到了原输入值,75%,，而量程则仍为,100%,。,但因为标尺特征受限于输入通道对信号限制（不能为负值），所以实际标尺有效使用范围（纵坐标,Y,）迁移到原来,25%-100%,，测量范围（横坐标,X,）迁移到原来,0-75%,。,单纯零点迁移时标尺特征,线段,2:,第一讲,自动化仪表与系统基础知识引论,第18页,1.2,基本概念,：,3,、实例说明,：,线段,3,、,单纯量程迁移时标尺特征。,线段,4:,此时零点不变，线段仍过坐标系原点，但斜率发生了改变。,线段,3,：,理论上量程迁移到了原来,70%,。因为受仪表标尺长度限制，实际标尺将仍保持到原来有效范围（纵坐标）,0-100%,，而不能超出,100%,，对应测量范围迁移到原来,070%,。,灵敏度提升。,线段,4:,量程迁移到原来,140%,，斜率改变；尽管量程变大了，但实际标尺有效范围只有原来,71.4%,，测量范围仍为,0100%,。,第一讲,自动化仪表与系统基础知识引论,第19页,1.2,基本概念,：,1.2.3,灵敏度和分辨率,：,1,、灵敏度,：,是仪表对被测参数改变灵敏程度。,常以在被测参数改变时，经过足够时间仪表指示值到达稳定状态后，仪表输出改变量,Y,与引发此改变输入改变量,U,之比表示，即,定义为：,2,、分辨率,：,指仪表输出能响应和分辨最小输入量，又称仪表灵敏限，是灵敏度一个反应。,第一讲,自动化仪表与系统基础知识引论,第20页,1.2,基本概念,：,1,、灵敏度,：,是仪表对被测参数改变灵敏程度。,2,、分辨率,：,仪表输出能响应和分辨最小输入量。,3,、讨论,：,灵敏度和标尺特征关系：,灵敏度等于,标尺特征曲线斜率。所以，量程迁移就意味着灵敏度改变；而假如仅仅是零点迁移则灵敏度不变。,第一讲,自动化仪表与系统基础知识引论,第21页,1.2,基本概念,：,1,、灵敏度,：,是仪表对被测参数改变灵敏程度。,2,、分辨率,：,仪表输出能响应和分辨最小输入量。,3,、讨论,：,灵敏度和标尺特征关系：,灵敏度和仪表放大倍数关系：,由灵敏度定义表示式可知：灵敏度大小等同于仪表放大倍数。只是因为,Y,、,U,都有详细量纲，所以灵敏度也有量纲，且由,Y,、,U,确定；而放大倍数没有量纲。所以灵敏度含义比放大倍数要广泛得多。,第一讲,自动化仪表与系统基础知识引论,第22页,1.2,基本概念,：,1,、灵敏度,：,是仪表对被测参数改变灵敏程度。,2,、分辨率,：,仪表输出能响应和分辨最小输入量。,3,、讨论,：,灵敏度和标尺特征关系：,灵敏度和仪表放大倍数关系：,灵敏度和分辨率关系,分辨率是灵敏度一个反应，普通说仪表灵敏度高，则其分辨率一样也高。所以实际中主要希望提升仪表灵敏度，从而确保其分辨率很好。,第一讲,自动化仪表与系统基础知识引论,第23页,1.2,基本概念,：,1,、灵敏度,：,是仪表对被测参数改变灵敏程度。,2,、分辨率,：,仪表输出能响应和分辨最小输入量。,3,、讨论,：,灵敏度和标尺特征关系：,灵敏度和仪表放大倍数关系：,灵敏度可传递性,在由多个仪表组成测量或控制系统中，灵敏度含有可传递性。比如首尾串联仪表系统 即前一个仪表输出是后一个仪表输入，其总灵敏度是各仪表灵敏度乘积。,第一讲,自动化仪表与系统基础知识引论,第24页,1.2,基本概念,：,1.2.4,误差,1,、基本名词,：,.,被测真值：,被测量真实值，是一个理论值，因为不论采取何种仪表测到值都有误差。,实际中常将用适当精度仪表（普通指高一等级精度仪表）测出或用特定方法确定约定真值代替真值。又称为,约定真值。,一些特殊情况下是可知，如圆周角为,360,度。,.,示值：,指示装置所显示被测值,第一讲,自动化仪表与系统基础知识引论,第25页,1.2,基本概念,：,2,、绝对误差,：通常可简称为误差。,绝对误差示值约定真值,误差为正时表示仪表示值偏大，反之偏小。,3,、相对误差,：,绝对误差与约定真值之比称为相对误差，惯用百分数表示，即,用相对误差大小来衡量仪表精度比较合理。,第一讲,自动化仪表与系统基础知识引论,第26页,1.2,基本概念,：,用水银温度计测得某一温度为,20.3,，该温度用高一等级温度计测得值为,20.2,，因后者精度高，故可认为,20.2,靠近真实温度，故水银温度计测量,绝对误差,:,相对误差,:,对于相同被测量，绝对误差能够评定其测量精度高低，但对于不一样被测量以及不一样物理量，绝对误差就难以评定其测量精度高低，而采取相对误差来评定较为确切。,20.3,-,20.2,=,0.1,举例,1:,第一讲,自动化仪表与系统基础知识引论,第27页,1.2,基本概念,：,2,、绝对误差,：简称为误差。,绝对误差示值约定真值,3,、相对误差,：,4,、引用误差,：,即使用绝对误差占约定真值百分数来衡量仪表精度比较合理，但因为仪表多应用在测量靠近上限值量，为此引入引用误差概念，定义以下：,以百分数,(,),表示,第一讲,自动化仪表与系统基础知识引论,第28页,1.2,基本概念,：,2,、绝对误差,：简称为误差。,绝对误差示值约定真值,3,、相对误差,：,4,、引用误差,：,5,、最大引用误差,：,最大引用误差与仪表详细示值无关，能够更加好地说明仪表测量准确程度。它是仪表基本误差主要形式，是仪表主要质量指标之一。,指整个量程内,以百分数,(,),表示,第一讲,自动化仪表与系统基础知识引论,第29页,1.2,基本概念,：,6,、允许误差,Q,：仪表在出厂时要求引用误差,允许值,，,简称允许误差。,7,、基本误差：,任何测量都是与环境条件相关，这些环境条件包含环境温度、相对湿度、电源电压、安装方式等。仪表应用时应严格按要求环境条件,即参比工作条件进行测量，此时取得误差称为基本误差,。,8,、附加误差：,仪表,在非参比工作条件下进行测量，此时取得误差除包含基本误差外，还会包含额外误差，又称附加误差。,第一讲,自动化仪表与系统基础知识引论,第30页,1.2,基本概念,：,9,、静态误差：,指仪表静止状态时误差，或被测量改变十分迟缓时所展现误差，此时不考虑仪表惯性原因。,10,、动态误差：,指仪表因惯性拖延所引发附加误差，或改变过程中误差。,仪表静态误差应用更为普遍。,第一讲,自动化仪表与系统基础知识引论,第31页,1.2,基本概念,：,1.2.5,准确度,：,任何仪表都有一定测量误差。所以，使用仪表时必须先知道该仪表准确程度，方便预计测量结果与约定真值差距，即预计测量值大小。,1,、定义：,用仪表允许最大引用误差去掉百分号后数字来衡量该仪表准确程度。,用于预计测量结果与约定真值差距,2,、精度等级划分：,0.05,级、,0.1,级、,0.2,级、,0.25,级、,0.5,级、,1.0,级、,1.5,级、,2.5,级。,第一讲,自动化仪表与系统基础知识引论,第32页,1.2,基本概念,：,1,、定义：,用仪表允许最大引用误差去掉百分号后数字来衡量该仪表准确程度。,2,、精度等级划分：,3,、精度等级确定方法：,依据试验数据，先计算仪表最大引用误差，然后从上面标准精度等级中选取数值上最靠近，但比该计算出最大引用误差去掉百分号值大精度等级做为该仪表准确度等级。,第一讲,自动化仪表与系统基础知识引论,第33页,1.2,基本概念,：,举例：,某弹簧管压力表测量范围为,.,a,，精度等级为,2,5,级，校验时，在某点出现最大绝对误差为,.,a,，问该仪表是否合格？,解：,由已知条件可知：,仪表量程为，最大绝对误差为。,其最大引用误差为：,由精度等级为,2.5,级，可知仪表允许最大引用误差为：,2.5,，所以不全格。,.,a,.,a,第一讲,自动化仪表与系统基础知识引论,第34页,1.2,基本概念,：,举例,2,：,有一块压力表，其负向可测到,-0.1MPa,，正向可测到,0.6MPa,，现只校验正向部份，其最大误差发生在,0.3MPa,处，且 上行和下行时，标准压力表指示值分别为,0.305MPa,和,0.295MPa,，问该表是否符合准确度等级为,1.5,级要求？,解：,由已知条件可知：仪表量程为：,测量误差：,有基本误差为,其最大引用误差为：,0.6-,（,-0.1,）,0.7,a,，,上,0.305-0.3,0.005,下,0.3-0.295,0.005,0.005MPa,符合,第一讲,自动化仪表与系统基础知识引论,第35页,1.2,基本概念,：,1.2.6,滞环、死区和回差,：,1,、滞环：,因为仪表内部元件储能效应,(,如弹性变形、磁滞现象等,),，造成仪表测量实际上升曲线和实际下降曲线出现不重合，从而使得仪表特征形成环状，该种现象即称为滞环。如图。,在出现滞环现象时，仪表同一输入值对应多个输出值，并出现误差。,第一讲,自动化仪表与系统基础知识引论,第36页,1.2,基本概念,：,2,、死区：,仪表内部一些元件含有死区效应，比如传动机构摩擦和间隙等，其作用亦可使得仪表检验所得实际上升曲线和实际下降曲线常出现不重合情况。这种死区效应使得仪表输入在小到一定范围后不足以引发输出任何改变，而这一范围则称为死区。,存在死区仪表要求输入值大于某一程度才能引发输出改变，死区也称为不灵敏区。理想情况下，不灵敏区宽度是灵敏限,2,倍。,第一讲,自动化仪表与系统基础知识引论,第37页,1.2,基本概念,：,3,、回差：,实际上升曲线和实际下降曲线间都存在差值，其,最大差值称为回差,，亦称变差，或往返变差。,第一讲,自动化仪表与系统基础知识引论,第38页,1.2,基本概念,：,1,、重复性：,概念：,在同一工作条件下，,同方向,连续屡次对同一输入值进行测量所得多个输出值之间相互一致程度称为仪表重复性，,它不包含滞环和死区,。如图。,物理意义：,反应输出一致性程度。,取值：,上升曲线最大离散程度和下降曲线最大离散程度二者中最大值。,1.2.7,重复性和再现性,：,第一讲,自动化仪表与系统基础知识引论,第39页,1.2,基本概念,：,2,、再现性：,概念：,它是仪表实际上升曲线和实际下降曲线之间离散程度表示，,它包含滞环和死区,。如图。,物理意义：,反应仪表稳定性。,取值：,常取两种曲线之间离散程度最大点值来表示,第一讲,自动化仪表与系统基础知识引论,第40页,1.2,基本概念,：,3,、讨论：,重复性,是衡量仪表不受随机原因影响能力，,再现性,是仪表性能稳定一个标志，因而在评价某种仪表性能时常同时要求其重复性和再现性。,重复性和再现性优良仪表并不一定精度高，但高精度优质仪表一定有很好重复性和再现性。,第一讲,自动化仪表与系统基础知识引论,第41页,1.2,基本概念,：,1.2.8,可靠性,：,1,、概念：,仪表可靠性经过可靠度来衡量。它是衡量仪表能够正常工作并发挥其功效程度。是指,仪表在确定时期内和确定外界条件下仪表工作在允许性能水平（无故障）概率。,举例：假如有,100,台一样仪表，工作,1000,小时后仍有,99,台能正常工作，则能够说这批仪表工作,1000,小时 后可靠度是,99%,。,第一讲,自动化仪表与系统基础知识引论,第42页,1.2,基本概念,：,2,、仪表可靠度应用可表达在,仪表正常工作和出现故障,两个方面：,正常工作方面：表达为仪表平均无故障工作时间。,因为仪表常存在修复多是轻易，因而以相邻两次故障时间间隔平均值为指标，可很好表示平均无故障工作时间。,出现故障方面：,表达为平均故障修复时间，它表示是仪表修复所用平均时间。,第一讲,自动化仪表与系统基础知识引论,第43页,1.2,基本概念,：,综合考虑常规要求，即在要求平均无故障工作时间尽可能长同时，又要求平均故障修复时间尽可能短，综合评价仪表可靠性，引出综合性指标有效度，其定义以下：,2,、仪表可靠度应用可表达在,仪表正常工作和出现故障,两个方面：,第一讲,自动化仪表与系统基础知识引论,第44页,1.3,检测仪表技术发展趋势,：,工业控制系统中检测技术和仪表系统发展归纳起来,包含：,成组传感器复合检测；,微机械量检测技术；,智能传感器发展；,各种智能仪表出现；,计算机多媒体化虚拟仪表；,传感器、变送器和调整器网络化产品。,第一讲,自动化仪表与系统基础知识引论,第45页,自动化仪表与系统基础知识引论,第46页,